新材料科学导论：材料科学与工程导论

1、材料科学与工程导论,2000年，世界合成高分子材料的年总产量已达到2亿吨。其中塑料1.63亿吨，合成橡胶0.11亿吨，合成纤维0.28亿吨。 高分子科学既是一门基础学科，又是一门应用科学，主要由高分子化学、高分子物理、高分子材料和高分子工艺四个学科分支组成。,多种多样的高分子材料,防 弹 衣,高比强度的降洛伞绳索,什么是高分子？,高分子的含义 分子量很大（104107，甚至更大）。 分子似“一条链”，由许多相同的结构单元组成。 以共价键的形式重复连接而成。,与小分子比较 分子量不确定，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物； 没有固定熔点，只有一段宽的温度范围； 分子间力很大，没有沸点，

2、加热到2000C3000C以上，材料破坏（降解或交联）。,高分子材料分类,按材料来源分类 天然高分子 合成高分子 按材料性能和用途分类 塑料 橡胶 （称为三大合成材料） 纤维 涂料 粘合剂 功能高分子,通用高分子材料,塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料 全世界产量1亿多吨 塑料主要品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60% 合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等 合成纤维、天然纤维、人造纤维比例为2 3 1,工程塑料,性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。 主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）

3、、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等,表 三大高分子材料的比较,材料应力应变曲线,按结构单元的化学组成分类,1. 碳链高分子 主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯,聚乙烯,2. 杂链高分子 主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、聚酚等,涤纶,3. 元素有机高分子 主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组成，其侧链为有机基团； 兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有

4、很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。,硅橡胶,4. 无机高分子 主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。,二硫化硅,聚二氯一氮化磷,高分子材料形成过程,简单流程如下：,热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。 热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。 优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形加工等； 缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。,热塑性与热固性,图 热塑性a、b和热固性c聚合物

5、的形态特征,在室温下，为什么有些高分子材料柔软而另外一些刚硬？,聚合物分子运动特点,聚合物分子运动具有多重性。 运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。 运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移等。 聚合物分子运动具有明显的松弛特性。 具有时间依赖性的过程称为松弛过程。 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时-温等效原理，或时-温转化效应。,力学状态,玻璃态 链段运动处于“冻结”状态，模量高形变小。具有虎克弹性行为，质硬而脆。 高弹态 链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发生

6、很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。 粘流态 由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对位移，产生不可逆位移即粘性流动。 交联聚合物无粘流态存在,玻璃化转变,聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度Tg是大分子链段开始运动的温度。 玻璃化转变是一个松弛过程。 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小等结构因素，都使Tg下降。,高分子材料发展简史,天然高分子的利用 天然高分子改性 天然橡胶硫化（1839年） 硝化纤维赛璐珞（1868年） 粘胶纤维（18931898年） 合成高分子 20世纪初，出现了酚醛树脂

7、 1920年，Staudinger提出高分子概念 30年代、40年代，飞速发展 70年代，特种性能的高分子,创立高分子化学的施陶丁格Hermann Staudinger 1881一1965,The Nobel Prize in Chemistry 1953,“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”,2000年化学奖授予了黑格(A. J. Heeger，美国)、马克迪尔米德(A. G. MacDiarmid，美国)和白川英树(H. ShiraKawa，日本) 三人，他们发现了导电聚合物。,A.J.Heeger(美

8、国),A.G.Macdiarmid (美国),H.ShiraKawa (日本),几种典型的高分子材料,聚乙烯制品,聚乙烯（PE）,聚乙烯从1939年开始工业化生产，是目前产量最大，应用最广泛的品种。 低密度聚乙烯（LDPE） 在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约10%用于生产注塑用品。 线型低密度聚乙烯（LLDPE） 主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。,高密度聚乙烯 注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。 中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。 薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。 聚乙

9、烯管材 应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。 质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。,给水用HDPE管,超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。,聚乙烯生产线,聚氯乙烯（PVC）,PS保温板,PS光纤,聚苯乙烯（PS）,氟塑料,是各种含氟塑料的总称。 聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投产。有“塑料王”之称。 是高结晶度聚合物，无熔融态，

10、分解温度400 ，可在260 以下长期下使用，耐低温达-200 ，力学性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能。 广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。,纤维,涤纶 尼龙（锦纶） 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）,高分子材料应用极为广泛！ 讨论： 也请同学们举一些例子。 想象一下现代生活如果没有高分子材料，如何？,保鲜膜,性能要求 保鲜、保洁、自粘 安全、无毒 市场上的保鲜膜 聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材质 聚氯乙烯（PVC）保鲜膜存在的问题,聚合物光盘基片,性能

11、要求 高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。 主要材料： 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性双酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等,功能高分子材料,医用高分子 导电高聚物 液晶高分子 智能聚合物 高吸水性树脂等等,生物（医用）高分子,医用高分子 人工生体软组织 人工生体硬组织 药用高分子 高分子药物 高分子载药体系 医疗器械与诊断材料,医用高分子材料,医用修复材料 龋齿密封材料、外科缝合线、高分子绷托 眼球人工玻璃体 隐形眼镜 人工脏器 人造皮肤、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、肾、肝、心脏等等。 在美国，每年有几百万件人工器件或

12、修复材料植入病人体内。,导电高聚物,共轭结构,-CH=CH-CH=CH-CH=CH-,导电高聚物应用前景,二次电池、太阳能电池 传感器 电磁屏蔽材料 隐身材料 金属防腐,B-2 Bomber (American),F-117A Fighter (American),A stealth ship,A stealth ship,液晶高分子材料,强度和模量极高 液晶概念 既具有液体的流动性，又有晶体的各向异性。 应用 防弹背心 火箭发动机外壳、导弹壳体 阿波罗登月飞船软着陆降落伞绳、直升飞机吊绳、人造卫星电子部件等等。,为什么液晶高分子的强度极高？ 为什么尼龙的强度高于普通的高分子材料？,高聚物的分子间作用力,范德华力 氢键 用内聚能或内聚能密度来表征分子间作用力的大小 橡胶内聚能密度小于334.94J/cm3 纤维内聚能密度大